DASAR KONVERSI ENERGI LISTRIK – MODUL 2

KEMAGNETAN DAN MEDAN MAGNET

Sebagian besar peralatan listrik secara langsung atau

tak-langsung tergantung pada kemagnetan. Magnetit (bijih

besi) adalah bahan yang memperlihatkan fenomena kemagnetan

dan disebut dengan magnet alami.

Setiap magnet memiliki dua titik yang disebut Kutub:

utara dan selatan. Mirip dengan muatan listrik, kutub magnet

yang sama akan tolak-menolak dan yang berlawanan akan tarik-

menarik.

Magnet memberikan gaya pada bahan magnet seperti besi

akibat medan magnetnya. Keberadaan gaya yang tak-kelihatan

ini dapat ditunjukkan dengan menebarkan serbuk besi halus

pada sekeping kaca atau selembar kertas diatas magnet batang

(Gb bawah, A). Jika lembaran kertas itu diketuk perlahan,

serbuk tadi akan mengatur kedudukannya sesuai dengan pola

yang dibentuk oleh medan gaya di sekeliling magnet batang

tersebut. Medan itu tampaknya tersusun atas garis-garis gaya

yang keluar dari kutub utara, merambat melalui udara

disekeliling magnetnya, dan terus menuju ke kutub selatan

untuk membentuk gaya simpal tertutup. Medan ini ditunjukkan

sebagai garis garis gaya (tanpa serbuk) seperti pada gambar

dibawah, B.

Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.

Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana

‘111

( A ) ( B )

Gb. 1. Medan magnet gaya disekeliling magnet

batang

Seluruh kelompok garis medan magnet ini, yang mengalir

kea rah luar dari kutub utara magnet disebut dengan fluks

magnet.

Simbol untuk fluks magnet ialah huruf Yunani, phi,

(ф) . Satuan SI untuk densitas fluks magnet ialah weber per

meter persegi (Wb/m2). Satu weber per meter persegi disebut

juga satu tesla (T).

Persamaan untuk densitas fluks magnet ialah :

B = ф/ A

dimana A adalah luas dalam m2.

Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.

Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana

‘112

Arus listrik merupakan sumber lain untuk medan magnet,

Arus yang mengalir melalui sepotong kawat akan menghasilkan

cincin-cincin konsentris yang berupa garis-garis gaya magnet

yang mengelilingi kawat tersebut. Kekuatan medan magnetnya

sebanding (proporsional) dengan amplitude arusnya (gambar

bawah)

Gambar 2. Kekuatan medan magnet tergantung pada amplitude arus

Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.

Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana

‘113

Aturan tangan-kanan digunakan untuk menentukan hubungan

antara aliran arus dalam konduktor dan arah garis-garis gaya

magnet di sekeliling konduktor bersangkutan. Ibu jari menuju

kearah aliran arus dan jari-jari lainnya menekuk kea rah

garis-garis gayanya (gambar bawah). Aliran arus berasal dari

sisi positif sumber tegangan, melalui kumparan, dan kembali

ke terminal negative sumber tegangan tersebut.

Gambar 3. Aturan tangan-kanan

Sebuah kumparan yang terbuat dari konduktor kawat

terbentuk apabila terdapat lebih dari satu simpal. Untuk

menentukan polaritas kumparan ini, gunakanlah aturan tangan-

kanan dalam kedudukan lain (lihat gambar bawah). Jari-jari

lainnya menekuk dalam arah aliran arus. Menambah inti besi

Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.

Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana

‘114

di dalam kumparan akan meningkatkan densitas fluksnya.

Polaritas intinya adalah polaritas kumparan tersebut.

Hasil kali arus dan banyaknya belitan dalam kumparan

yang dinyatakan dalam ampere-belitan, dikenal dengan gaya

gerak magnet (ggm). Jika sebuah kumparan dengan jumlah

ampere-belitan tertentu diperpanjang sampai dua kali

panjangnya semula. Oleh sebab itu intensitas medan

tergantung pada panjang kumparannya. Dinyatakan dalam bentuk

persamaan :

H = N.I / l

dimana H adalah intensitas medan magnet (At/m), NI adalah

ampere-belitan dan l adalah panjang kumparan dalam m. H

adalah intensitas di seluruh intinya dan l adalah panjang

antara kutub inti besinya.

Gb.4. Aturan tangan-kanan untuk menentukan kutub utara

electromagnet

Induksi Elektromagnet

Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.

Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana

‘115

Pada tahun 1831, Michael Faraday menemukan prinsip

induksi electromagnet. Prinsip ini menyatakan bahwa :

Jika sepotong konduktor “memotong secara melintang”

garis-garis gaya magnet, atau jika garis-garis gaya memotong

secara melintang sepotong konduktor, maka ggl, atau

tegangan, akan diinduksi pada ujung-ujung konduktor

tersebut. (gambar bawah);

Gambar 5. Memperagakan induksi electromagnet

Dari gambar diatas, perhatikan magnet yang garis-garis

gayanya hanya terkonsentrasi di antara kutub-kutubnya.

Sepotong konduktor C yang dapat digeser-geser di antara

kutub-kutub tersebut, dihubungkan dengan galvanometer G yang

digunakan untuk menandakan adanya ggl :

Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.

Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana

‘116

Aplikasi yang sangat penting dari gerak relative antara

konduktor dan medan magnet kita dapatkan dalam generator

listrik.

Nilai tegangan yang diinduksi tergantung dari banyaknya

belitan dalam kumparan dan kecepatan konduktor memotong

garis-garis gaya atau fluks bersangkutan. Konduktor atau

fluksnya dapat kita gerakkan. Persamaan untuk menghitung

nilai tegangan induksi ini ialah :

dimana vind ialah tegangan yang diinduksi (V), N ialah

banyaknya belitan dalam kumparannya, dan Δф / Δt adalah laju

Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.

Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana

‘117

fluks memotong konduktornya (Wb/det). Dan vind ditentukan oleh

tiga faktor sbb :

1. Semakin banyak garis gaya memotong konduktornya,

semakin tinggilah nilai tegangan induksinya;

2. Semakin banyak belitan kumparannya, semakin tinggilah

tegangan induksinya;

3. Semakin cepat fluks memotong konduktor atau konduktor

memotong fluksnya, semakin tinggilah tegangan

induksinya karena lebih banyak garis gaya yang memotong

konduktor dalam periode waktu yang diketahui.

Hukum Ampere-Biot-Savart

3 orang ilmuwan jenius dari perancis, Andre Marie Ampere

(1775-1863), Jean Baptista Biot (1774-1862) dan Victor

Savart (1803-1862) menyatakan bahwa:

“Gaya akan dihasilkan oleh arus listrik yang mengalir pada suatu penghantar

yang berada diantara medan magnetik”

Hal ini juga merupakan kebalikan dari hukum faraday, dimana

faraday memprediksikan bahwa tegangan induksi akan timbul

pada penghantar yang bergerak dan memotong medan magnetik.

Hukum ini diaplikasikan pada mesin-mesin listrik, dan gambar

2 akan menjelaskan mengenai fenomena tersebut.

Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.

Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana

‘118

Gambar 6. Hukum Ampere-Biot-Savart, Gaya induksi

Elektromagnetik

Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.

Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana

‘119

Hukum Lentz

Pada tahun 1835 seorang ilmuwan jenius yang dilahirkan di

Estonia, Heinrich Lenz (1804-1865) menyatakan bahwa:

“arus induksi elektromagnetik dan gaya akan selalu berusaha untuk saling

meniadakan (gaya aksi dan reaksi)”

Sebagai contoh, jika suatu penghantar diberikan gaya untuk

berputar dan memotong garis-garis gaya magnetik, maka pada

penghantar tersebut akan timbul tegangan induksi (hukum

faraday). Kemudian jika pada ujung-ujung penghantar tersebut

saling dihubungkan maka akan mengalir arus induksi, dan arus

induksi ini akan menghasilkan gaya pada penghantar tersebut

(hukum ampere-biot-savart). Yang akan diungkapkan oleh Lenz

adalah gaya yang dihasilkan tersebut berlawanan arah dengan

arah gerakan penghantar tersebut, sehingga akan saling

meniadakan.

Hukum Lenz inilah yang menjelaskan mengenai prinsip kerja

dari mesin listrik dinamis (mesin listrik putar) yaitu

generator dan motor.

Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.

Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana

‘1110

Gambar 7. Hukum Lenz- gaya aksi dan reaksi.

Apabila arus mengalir akibat tegangan induksi, arus ini

akan menimbulkan medan magnet terhadap konduktornya

sedemikian rupa sehingga medan magnet konduktor ini akan

bereaksi dengan medan magnet eksternal tadi, yang

menghasilkan tegangan induksi yang melawan perubahan medan

magnet eksternal tersebut. Jika medan eksternal ini

meningkat, medan magnet konduktor arus induksi tersebut akan

berada dalam arah yang berlawanan. Jika medan eksternal ini

menurun, medan magnet konduktornya akan berada dalam arah

yang sama, dan dengan demikian akan mempertahankan medan

eksternal tersebut.

Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.

Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana

‘1111

Elektromagnet

Elektromagnet adalah prinsip pembangkitan magnet dengan

menggunakan arus listrik. Aplikasi praktisnya kita temukan

pada motor listrik, speaker, relay dsb. Sebatang kawat yang

diberikan listrik DC arahnya meninggalkan kita (tanda

silang), maka disekeliling kawat timbul garis gaya magnet

melingkar, lihat gambar 8. Sedangkan gambar visual garis

gaya magnet didapatkan dari serbuk besi yang ditaburkan

disekeliling kawat beraliran listrik, seperti telah

dijelaskan pada artikel sebelumnya “prinsip kemagnetan”.

Gambar 8. Prinsip elektromagnetik.

Sebatang kawat pada posisi vertikal diberikan arus listrik

DC searah panah, maka arus menuju keatas arah pandang (tanda

titik). Garis gaya magnet yang membentuk selubung berlapis

lapis terbentuk sepanjang kawat. Garis gaya magnet ini tidak

tampak oleh mata kita, cara melihatnya dengan serbuk halus

Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.

Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana

‘1112

besi atau kompas yang didekatkan dengan kawat penghantar

tsb. Kompas menunjukkan bahwa arah garis gaya sekitar kawat

melingkar. Arah medan magnet disekitar penghantar sesuai

arah putaran sekrup (James Clerk Maxwell, 1831-1879). arah

arus kedepan (meninggalkan kita) maka arah medan magnet

searah putaran sekrup kekanan. Sedangkan bila arah arus

kebelakang (menuju kita) maka arah medan magnet adalah

kekiri.

Gambar 9. Garis magnet membentuk selubung seputar kawat

berarus.

Gambar 10. Prinsip putaran sekrup

Aturan sekrup mirip dengan hukum tangan kanan yang

menggenggam, dimana arah ibu jari menyatakan arah arus

listrik mengalir pada kawat. Maka keempat arah jari

Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.

Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana

‘1113

menyatakan arah dari garis gaya elektromagnet yang

ditimbulkan.

Arah aliran arus listrik DC pada kawat penghantar menentukan

arah garis gaya elektromagnet. Arah arus listrik DC menuju

kita (tanda titik pada penampang kawat), arah garis gaya

elektromagnet melingkar berlawanan arah jarum jam. Ketika

arah arus listrik DC meninggalkan kita (tanda silang

penampang kawat), garis gaya elektromagnet yang ditimbulkan

melingkar searah dengan jarum jam (sesuai dengan model

mengencangkan sekrup). Makin besar intensitas arus yang

mengalir semakin kuat medan elektro-magnet yang mengelilingi

sepanjang kawat tersebut.

Gambar 11. Elektromagnetik sekeliling kawat.

Elektromagnet pada Belitan Kawat

Jika sebuah kawat penghantar berbentuk bulat dialiri arus

Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.

Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana

‘1114

listrik I sesuai arah panah, maka disekeliling kawat timbul

garis gaya magnet yang arahnya secara gabungan membentuk

kutub utara dan kutub selatan. Makin besar arus listrik yang

melewati kawat, maka akan semakin kuat medan elektromagnetik

yang ditimbulkannya.

Gambar 12. Kawat melingkar berarus membentuk kutub magnet

Jika beberapa belitan kawat digulungkan membentuk sebuah

coil atau lilitan, dan kemudian dipotong secara melintang

maka arah arus ada dua jenis. Kawat bagian atas bertanda

silang (meninggalkan kita) dan kawat bagian bawah bertanda

titik (menuju kita).

Gambar 13. Belitan kawat membentuk kutub magnet.

Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.

Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana

‘1115

Hukum Tangan Kanan

Hukum tangan kanan untuk menjelas kan terbentuknya garis

gaya elektromagnet pada sebuah gulungan atau coil dapat

dilihat pada gambar 14. Dimana sebuah

gulungan kawat coil dialiri arus listrik, maka arah arusnya

ditunjukkan sesuai dengan empat jari tangan kanan, sedangkan

kutub magnet yang dihasilkan ditunjukkan dengan ibu jari

untuk arah kutub utara dan kutub selatan arah lainnya.

Gambar 14. Hukum tangan kanan.

Untuk menguatkan medan magnet yang dihasilkan pada gulungan

dipasangkan inti besi dari bahan ferromagnet, sehingga garis

gaya elektromagnet menyatu. Aplikasinya dipakai pada coil

kontaktor atau relay.

Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.

Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana

‘1116

Ringkasan

- Kumpulan menyeluruh garis medan magnet yang mengalir ke

luar dari kutub U sebuah magnet disebut fluks magnet;

- Permeabilitas mengacu pada kemampuan bahan magnet untuk

memusatkan fluks magnet;

- Aturan tangan-kanan digunakan untuk menentukan hubungan

aliran arus dalam sepotong konduktor dan arah garis-

garis medan magnet yang mengelilingi konduktor yang

diakibatkan oleh arus tersebut.

- Bentuk aturan tangan-kanan lainnya digunakan untuk

menentukan polaritas magnet kumparan kawat dengan arus

yang mengalir dalam kawat kumparan tersebut.

- Polaritas tegangan induksi ditentukan oleh hukum Lenz.

Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.

Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana

‘1117